某观光竹排侧翻风险评估与安全整改措施研究

张晓莹，扈 喆，林国珍，罗春莲

（集美大学 福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021）

0 引 言

竹排又称竹筏或排筏，用竹材捆扎而成，是有溪水的山区和水乡常用的传统水上交通工具，在旅游业中得到大量使用。

与景区竹排被大量使用形成对比，目前有关竹排的检测方法和安全性保证措施的研究相对滞后，尚无权威的安全性标准或指南，竹排安全事故频发，给水上游客的安全带来巨大隐患。对近年主要景区竹排安全事故统计后可知，竹排侧翻为主要的事故类型。

研究还发现，当前景区竹排游览项目普遍存在以下问题：在竹排设计环节缺少安全性论证；竹排建造过程中缺乏具有资质的安全性评估；竹排营运过程缺乏科学的指南规程。为解决这些问题，已有地方政府组织研究出台适应当地水域环境特点的竹排相关标准规范[1]，然而此类标准规范具有较强的地方性，对不同水域环境和不同竹排形式的适用性较差。因此景区在发展竹排项目时，有必要针对景区的环境特点及预定竹排形式做全面的安全性评估。

本文以某景区大型竹排为例，分析计算其抗侧翻性能。基于《内河小型船舶检验技术规则》[2]分析校核竹排的稳性，采用三维势流理论研究竹排在波浪作用下的运动响应，分析竹排在人员集中到一侧的极端情况下的安全性。针对该竹排的不安全因素，提出若干整改措施，并进行计算验证。

1 待评估景区竹排概述

待评估竹排的使用区域为某山区水库景区，最大水深约为30m。水库常年风平浪静，根据其管理处管理人员多年来的观测，在常态下水库波浪浪高较小，基本在 0.1m以下。在大风天气下景区将关闭竹排观光项目。为方便加工和提高结构强度，竹排主体材料采用厚壁PVC管，而非竹子。竹排排体由PVC管、上层凉棚、竹制座椅、木质甲板、凉棚支撑件（方管）、推进设备和PVC管连接件（槽钢、方管、螺栓、钢钉及钢片）等部件组成。某景区观光竹排实图见图1。

图1所示的竹排总长13m，宽5m，高（至棚顶）约3.02m，遮阳篷位于排筏上表面1.9m高度处，满载60人。参考现有竹排安全事故记录，该竹排相对安全的因素为所在水域水流较为平缓；其不安全因素在于载客量较大，远远超出表1中竹排的载客量。

2 侧翻风险评估方法

易导致竹排侧翻的因素主要包括竹排自身的稳性及竹排遭遇波浪之后的耐波性。此外，该竹排载客量较大，在某些突发情况下乘客集中于一侧的危险需要考虑。选取空载和满载（载客60人）2种载况进行评估，竹排在2种载况下的重量分别为3284.40kg和7484.40kg。

2.1 稳性评估方法

采用Patran_pre建立模型，在DNV.SESAM中计算竹排的初稳性，并采用《内河小型船舶检验技术规则》（2016）校核竹排的稳性。由于竹排为扁平结构且无分舱，因此仅计算其完整稳性，无须考虑大倾角和破舱稳性。该竹排的工作水域为水面平静的水库水域，属于C级航区，其稳性应同时满足

式(1)～式(3)中：M1为旅客集中一舷倾侧力矩；M2为风压倾侧力矩；M3为M1与M2中取大者；Δ为装载工况下的排水量；GM为装载工况下考虑自由液面修正的初稳性高；K为系数，载客船舶取0.86；F为装载工况下沿船长方向的最小干舷；B为型宽；d为装载工况下型吃水。各项具体计算方法详见相关条款。

2.2 耐波性评估方法

采用三维频域势流理论计算竹排在波浪中的运动响应。采用Patran_pre建模，PVC管和甲板采用shell单元，棚子支架采用beam单元，船上设备、驱动设备和竹椅采用方形实心截面beam单元并调整重量，人员采用point单元并附集中质量。竹排模型示意见图2。生成湿表面模型及质量模型之后导入到 DNV.SESAM 中，采用HydroD的WADAM模块计算竹排运动频域响应。

图2 竹排模型示意

根据景区水库管理人员的观测，浪高通常在0.1 m以下。保守考虑，取浪高为0.15 m，即波幅为0.075 m，具体计算工况参数见表1。在分析过程中：取浪向为0°～180°，间隔15°；取波浪周期范围为1～20 s，间隔1 s。

表1 计算工况参数

图3为竹排计算点编号示意，选取竹排上4处“危险”位置，分析其运动位移、速度和加速度等信息，判断该处人员被甩出甲板的风险。考虑波浪和风倾力矩造成的干舷损失，计算剩余干舷，判断舷侧入水风险。

图3 竹排计算点编号示意

3 计算结果

3.1 稳性计算结果

在空载和满载工况下的稳性计算结果见表2。

表2 稳性计算结果

依据式(1)～式(3)计算稳性，结果见表 3，其中，为保守起见，在计算受风面积时不考虑孤立体（如栏杆等）面积的折减效应，且受风面中心设为棚子投影面中心。从表3中可看出：在空载和满载工况下稳性衡准数Kf1和Kf2均符合规范要求，且有一定的裕度；稳性横准数Kf3不符合规范要求，这是由人员集中于一侧的倾侧力矩过大导致的，将在“3.3”节和“3.4”节中详细讨论。

表3 稳性计算结果

3.2 耐波性计算结果

在各工况下六自由度运动RAO最大值见表4。

表4 六自由度运动RAO最大值

由目标波幅为0.075m可得：在空载工况下，最大升沉幅值为0.094m，最大纵摇幅值为0.98°，最大横摇幅值为2.11°；在满载工况下，最大升沉幅值为0.089m，最大纵摇幅值为0.88°，最大横摇幅值为2.38°。可见，满载较空载在垂荡和纵摇运动幅度上有所减小，而横摇运动幅度增大。以空载横摇和纵摇运动为例，给出2种运动幅值的RAO曲线见图4。表5给出图3中4处“危险”位置运动的RAO。

图4 空载工况纵摇与横摇运动幅值RAO

表5 各点最大垂向位移（_Z）、速度（_VZ）和加速度（_AZ）RAO

(1) 空载工况：按波幅为0.075m计算，竹排边界点中最大垂向位移为0.122m，出现位置为FR点；最大垂向速度为0.324m/s，出现位置为FR点；最大垂向加速度为1.019m/s2，出现位置为FR点和AR点；竹排最大垂向速度和最大垂向加速度较小，发生人员脱离甲板情况的概率较低。按《内河小型船舶检验技术规则》（2016）计算风倾力矩可得Mf=7.694kN·m，由回复力矩公式可得横倾角为θ=0.424°，对应干舷损失为，剩余干舷为干舷扣除波浪造成的干舷损失和风倾力矩造成的干舷损失，即，不会发生甲板浸水。

(2) 满载工况：按波幅为0.075m计算，竹排边界点中最大垂向位移为0.115m，出现位置为FR点和AR点；最大垂向速度为0.356m/s，出现位置为AR点；最大垂向加速度为1.119m/s2，出现位置为AR点；竹排最大垂向速度和最大垂向加速度较小，发生人员脱离甲板情况的概率较低。按《内河小型船舶检验技术规则》（2016）计算风倾力矩可得Mf=10.424kN·m，由回复力矩公式可得横倾角为θ=0.581°，对应干舷损失为，剩余干舷为干舷扣除波浪造成的干舷损失和风倾力矩造成的干舷损失，即不会发生甲板浸水。

3.3 人员集中一侧评估结果及整改措施

考虑到人的体积及座椅所占空间，采用图5的方式进行简化分析。人员初始位置状态见图5a)，发生人员横向集中之后，认为所有人员集中至竹排一侧，导致每个座椅由2人占据，而另一侧座椅为空（见图7b））。

考虑图5所示的情形计算稳性，由表5可知，不符合《内河小型船舶检验技术规则》（2016）的规定。为减小人员集中程度、降低人员集中倾侧力矩，尝试以下整改方案。

(1) 方案一：增设1道纵向分隔栏杆，见图6。

(2) 方案二：增设2道纵向分隔栏杆，见图7。

(3) 方案三：去除2列（第3到6列）座位，保留6列座位，并在原3列和6列位置处增设2道纵向分隔栏杆，见图8。

经计算，方案一和方案二仍达不到稳性规范要求，而方案三满足规范要求，因此采用方案三作为第一次整改措施。

图5 整改前竹排满载工况人员横向集中示意

图6 方案一竹排满载工况人员横向集中示意

图7 方案二竹排满载工况人员横向集中示意（方法1）

图8 方案三竹排满载工况人员横向集中示意

与横向人员集中类似，纵向也会发生人员集中。尽管在第一次整改之后横向稳性得到提升，但纵向稳性并未得到改善。考虑到人员纵向集中可能引发甲板浸水，为避免干舷损失引起浸水，建议进行二次整改，在船长方向第5排和第6排间增设一道横向分隔栏杆，见图9。经验算发现不会发生浸水，满足要求。

3.4 人员合理布置措施

“3.3”节的分析针对的是满载工况，为竹排稳性满足要求的必要条件。尽管采取了上述整改措施，但在非满载工况下人员位置分配不合理时，仍会导致稳性丧失。为避免人员位置安置不合理造成危险，经验算，建议：当载人不超过20人时，人员位置布置不受限制；当载人超过 20人时，严格按照横向和纵向对称的原则布置人员。

图9 二次整改后竹排满载工况人员纵向集中示意

4 结 语

本文计算评估某景区竹排的稳性和侧翻风险，并提出相应整改措施，主要得到以下结论：

(1) 在正常天气状况下，竹排运行平稳，发生甲板浸水及人员甩出甲板的概率较低。

(2) 为保证人员集中于一侧时的稳性，建议采取相应的整改措施，即：去除2列（第3列和第6列）座位，保留6列座位，并在原3列和6列位置处增设2道纵向分隔栏杆；在船长方向第5排和第6排间增设一道横向分隔栏杆。

(3) 当载人≤20人时，人员位置布置不受限制；当载人＞20人时，应严格按照横向和纵向对称的原则布置人员。

(4) 除以上整改措施以外，还应采取其他安全措施，如船上人员配备救生衣、驾驶时保持船距和配置备用动力设备等。

【 参 考 文 献 】

[1] 肇庆市联盟.旅游排筏技术规范：ZQ 19—2015[S].

[2] 中华人民共和国海事局.内河小型船舶检验技术规则[S].2016.